李富昌 程幼明 吳 英

（安徽工程大學(xué)管理工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

生產(chǎn)制造業(yè)作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，其核心任務(wù)是設(shè)計(jì)制造出滿足顧客和市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。由于客戶需求的個(gè)性化和多樣化以及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員的隨意性，造成了大量產(chǎn)品零部件的冗余和產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源的浪費(fèi)。因此，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源的有效重用提出了要求。

設(shè)計(jì)資源重用研究涉及重用層次和重用匹配選擇等方面。在重用層次研究方面，Gautam等[1]將重用劃分為基于組件、架構(gòu)、平臺(tái)等實(shí)體資源的粗粒度重用和基于需求、過(guò)程、模型等知識(shí)資源的細(xì)粒度重用；武守飛等[2]提出將產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源重用層次劃分為產(chǎn)品層、部件層、零件層和特征層，并對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源的重用選擇給出了定性分析；于加晴[3]基于檢索匹配程度將設(shè)計(jì)重用分為完全重用、部分重用和近似重用等三類。在重用匹配選擇方面，偉俊民等[4]計(jì)算了零件形狀特征之間的相似度，通過(guò)設(shè)計(jì)人員給定的相似度閥值對(duì)零件進(jìn)行分類及標(biāo)準(zhǔn)化處理；劉征等[5]提出一種基于發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ）融合規(guī)則推理（RBR）和案例推理（CBR）的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)方法，根據(jù)新設(shè)計(jì)需求選取相似匹配程度高于所給定閥值的原始設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)原始設(shè)計(jì)方案的修改得到符合要求的新設(shè)計(jì)方案。通過(guò)文獻(xiàn)整理可以發(fā)現(xiàn)，重用層次等研究已經(jīng)相對(duì)比較成熟，而重用匹配選擇問(wèn)題則多是定性研究，在相關(guān)定量研究中，閾值也多是由設(shè)計(jì)人員或設(shè)計(jì)專家給定，缺乏科學(xué)性與客觀性。針對(duì)上述不足，提出依據(jù)韋伯定律設(shè)計(jì)出不同重用策略的閾值確定方法，以科學(xué)合理的方式匹配選擇對(duì)應(yīng)的重用策略，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源的有效重用程度。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源重用及其常用策略

大規(guī)模定制已成為產(chǎn)品生產(chǎn)組織運(yùn)營(yíng)的主流。大規(guī)模定制的產(chǎn)品并不是完全全新產(chǎn)品，大多是基于基型產(chǎn)品基礎(chǔ)上的變型產(chǎn)品。一般通過(guò)產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)和基于工藝特征相似基礎(chǔ)上的產(chǎn)品零部件標(biāo)準(zhǔn)化等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)變型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。其本質(zhì)是對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)資源的重用，產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源重用的實(shí)質(zhì)是將產(chǎn)品外部多樣化轉(zhuǎn)化為內(nèi)部少量化的方法和處理變與不變的哲理。如今，“企業(yè)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品資源有效重用的程度已成為我國(guó)與國(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)中最主要的差距”[6]。因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源的有效重用成為企業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源重用是指將過(guò)去的設(shè)計(jì)信息、設(shè)計(jì)知識(shí)或者設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到當(dāng)前的設(shè)計(jì)活動(dòng)中，以便達(dá)到快速設(shè)計(jì)出滿足要求的新產(chǎn)品的目的。其可重用性度量是基于相似度評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源重用的關(guān)鍵是對(duì)資源重用策略的合理應(yīng)用。產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源重用策略是指對(duì)設(shè)計(jì)資源進(jìn)行重用的方式或方法。而產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源的重用具有多種形式，“以重用對(duì)象的類型分有基于實(shí)例的重用、基于參數(shù)的重用、基于知識(shí)的重用及基于規(guī)則的重用等；以匹配程度分有精確匹配重用和近似匹配重用；以對(duì)象的重用程度分有完全重用和部分重用等”[7]?！傲?yè)?jù)調(diào)查顯示，在絕大多數(shù)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，大約40-50%是直接重用過(guò)去的零部件，30-40%是重用修改后的零部件，完全創(chuàng)新的設(shè)計(jì)僅占10-20%?！盵8]

綜上所述，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源重用策略歸集為直接重用、修改重用和重新設(shè)計(jì)等三種。直接重用是指將檢索到符合新設(shè)計(jì)要求的可重用設(shè)計(jì)資源不做任何修改直接應(yīng)用到新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中；修改重用是指檢索到的可重用設(shè)計(jì)資源并不完全符合新設(shè)計(jì)要求，把符合要求的部分直接重用，其余部分作相應(yīng)修改并作為新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)；重新設(shè)計(jì)是指檢索到的可重用設(shè)計(jì)資源與設(shè)計(jì)需求存在較大差異，需要對(duì)其進(jìn)行大量修改或者另行設(shè)計(jì)。

3 基于韋伯定律確定重用閾值

三種重用策略的選擇一般是根據(jù)相似匹配程度來(lái)進(jìn)行的[3-5]。大多是根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)規(guī)定一個(gè)定量化閾值，相似度高于某一水平（T1）則直接重用、低于某一水平（T2）則重新設(shè)計(jì)，介于兩者之間則進(jìn)行修改重用。由此可見(jiàn)，重用閾值的確定是產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源重用策略選用的關(guān)鍵，直接影響并決定開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)成本的高低和響應(yīng)需求變化時(shí)間的長(zhǎng)短。針對(duì)閾值確定缺乏科學(xué)性和客觀性，在此依據(jù)反映感覺(jué)差異規(guī)律的韋伯定律理論來(lái)設(shè)計(jì)出資源重用策略選用的閾值。

3.1 韋伯定律的基本原理

研究表明，人的感覺(jué)是由刺激引起的，將剛剛能引起感覺(jué)的最小刺激量定義為 “絕對(duì)閾限（absolute threshold）”，將所能察覺(jué)到刺激的最小差異量定義為“差別感覺(jué)閾限（just noticeable difference，JND）”。韋伯認(rèn)為刺激增量的變化量與原刺激量之間存在著某種特定關(guān)系，即△I/I=K，I為原刺激量，△I為刺激增量的變化量，稱其為差別感覺(jué)閾限，K為韋伯常數(shù)。

“當(dāng)產(chǎn)品主參數(shù)同人的感覺(jué)直接相關(guān)時(shí)，參數(shù)值的選擇與確定便受到人的生理功能和心理習(xí)慣的嚴(yán)格制約。”[9]韋伯定律恰好能反應(yīng)這一規(guī)律。并且不同生理或心理方面常數(shù)K各不相同，如在重量感覺(jué)中 K是0.03，在視覺(jué)中 K是 0.01，在聽(tīng)覺(jué)中K是0.1等。因此，可基于韋伯定律來(lái)設(shè)計(jì)重用策略選擇的閾值。

3.2 基于韋伯定律的閾值模型與測(cè)算方法

結(jié)合上述重用閾值的相關(guān)描述并依據(jù)韋伯定律構(gòu)建出如圖1所示閾值模型。

圖1 重用閾值模型

圖1中I表示原有參數(shù)刺激量，X和Y表示變化后的參數(shù)刺激量。其中，X是恰好能被感覺(jué)到與I存在差異的界限參數(shù)值，Y則是恰好能被感覺(jué)到與X存在差異的界限參數(shù)值，認(rèn)為Y是恰好能被感覺(jué)到與I存在較大差異的界限值。在此根據(jù)韋伯定律理論，將人們感覺(jué)到變化的刺激量差異（X-I）定義為變與不變的閾值，以T1表示此重用閾值，用來(lái)界定直接重用和修改重用；在此基礎(chǔ)上，將感覺(jué)到變化的刺激量X重新定義為原有刺激量，基于韋伯定律理論將再次感覺(jué)到變化的刺激量Y與I之間的差異（Y-I）定義為較大差異的閾值，以T2表示此重用閾值，用來(lái)界定修改重用和重新設(shè)計(jì)。

綜上所述，可以看出I與X以及X與Y均恰好遵循韋伯定律原理。文中假定韋伯常數(shù)K值是已知的。依據(jù)韋伯定律可得出由I和K所表征的X和Y的值，其具體表征過(guò)程如下列算式所示：

閾值實(shí)質(zhì)上是一種臨界值。文中重用閾值是指針對(duì)相似度設(shè)定的臨界值，目的是對(duì)最大相似度產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源進(jìn)行界定，從而選擇對(duì)應(yīng)的資源重用策略對(duì)其進(jìn)行有效的重用。在對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源可用性進(jìn)行相似度評(píng)價(jià)時(shí)，一般會(huì)有多個(gè)不同的參數(shù)指標(biāo)參與評(píng)價(jià)；另外，重用閾值實(shí)際上是一種特殊相似度值。因此重用閾值是一種綜合性的相似度閾值，其測(cè)算方法與相似度計(jì)算方法相類似。相似度一般是通過(guò)歐氏距離計(jì)算得出，如式1和式2所示。

式中，S 表示相似度， d（x，y）表示兩個(gè)對(duì)象之間的歐氏距離，xi和yi分別表示不同對(duì)象的屬性值，ωi表示第 i（i=0，1，2，3，…，n）個(gè)屬性指標(biāo)的權(quán)重值，一般通過(guò)專家法或基于消費(fèi)者偏好問(wèn)卷調(diào)查得出。

然而，歐氏距離表示的是一種絕對(duì)距離，在不對(duì)數(shù)據(jù)做規(guī)格化處理的情況下，各屬性指標(biāo)之間的歐氏距離值不具有可比性，更不能進(jìn)行加權(quán)相加處理。因此需要對(duì)歐氏距離做出相應(yīng)的改進(jìn)。改進(jìn)結(jié)果如式3所示。

式中，D（x，y）表示相對(duì)距離，與韋伯定律理論具有內(nèi)在一致性；在此公式中，xi是指原有參數(shù)刺激量，yi是指與xi相對(duì)應(yīng)的變化后參數(shù)刺激增量（在閾值計(jì)算中表示X或Y）。值得注意的是，由于歐氏距離做出了改進(jìn)，因此相似度的計(jì)算也必然是基于改進(jìn)歐氏距離的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

綜上所述，類比相似度計(jì)算公式，并結(jié)合改進(jìn)的歐氏距離計(jì)算公式得出如下相似度閾值測(cè)算方法：

式中，T1、T2表示兩類相似度閾值，Ii表示參與評(píng)價(jià)的原有參數(shù)刺激量，Xi和Yi分別是與Ii相對(duì)應(yīng)的兩類臨界參數(shù)刺激量，Ki為不同參數(shù)的韋伯常數(shù)，ωi表示各參數(shù)指標(biāo)的權(quán)重值。

根據(jù)式4和式5即可求出兩類相似度閾值，T1為第一類相似度閾值，可用其界定直接重用和修改重用；T2為第二類相似度閾值，可用其界定修改重用和重新設(shè)計(jì)。通過(guò)重用閾值對(duì)與新設(shè)計(jì)要求最相似的可重用設(shè)計(jì)資源或者產(chǎn)品零部件進(jìn)行界定，進(jìn)而選擇相應(yīng)的資源重用策略對(duì)其進(jìn)行合理重用以完成新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。既滿足了客戶設(shè)計(jì)要求，又可有效重用現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源以及減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息的冗余。

4 實(shí)例

以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為例[10]，對(duì)基于韋伯定律的重用閾值確定方法進(jìn)行驗(yàn)證說(shuō)明。客戶設(shè)計(jì)要求（px）及現(xiàn)有相似設(shè)計(jì)方案（P1-P8）如表1所示。

表1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)需求及相似設(shè)計(jì)方案

通常排量和發(fā)動(dòng)機(jī)功率體現(xiàn)動(dòng)力的大小，可通過(guò)對(duì)速度的改變給人以推背的壓覺(jué)感；功率轉(zhuǎn)速、扭矩和扭矩轉(zhuǎn)速都與功率相關(guān)，最終表現(xiàn)為給人以壓覺(jué)感受；油耗的高低一般由儀表盤顯示，通過(guò)眼睛給人以視覺(jué)刺激；噪聲主要由人的聽(tīng)覺(jué)來(lái)感受。通過(guò)分析，可以得出七個(gè)設(shè)計(jì)要求參數(shù)的韋伯常數(shù)K，如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)要求參數(shù)的K值

文獻(xiàn)[10]中給出設(shè)計(jì)要求參數(shù)的權(quán)重為 ω=（0.15,0.15,0.2,0.2,0.2,0.05,0.05）。 在改進(jìn)歐氏距離基礎(chǔ)上，基于相似度計(jì)算公式可求出新設(shè)計(jì)要求與8個(gè)原有相似設(shè)計(jì)方案的相似度為Si={0.935，0.930，0.965，0.974，0.914，0.945，0.793，0.843}，其中P4的相似度最大為0.974。需要注意是，在相似度計(jì)算中，對(duì)參數(shù)進(jìn)行比較分析時(shí)，均以最小參數(shù)作為原有參數(shù)刺激量，以使其符合韋伯定律理論。

通過(guò)式4和式5分別計(jì)算得出相似度閾值T1=0.979、T2=0.957， 原有設(shè)計(jì)方案最大相似度0.974 高于 T2=0.957 低于 T1=0.979， 因此選擇修改重用策略對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相應(yīng)修改設(shè)計(jì)，最終完成新發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。在一定程度上優(yōu)化了產(chǎn)品可重用設(shè)計(jì)資源的選取與應(yīng)用，提高了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中重用閾值設(shè)定的主觀性和隨意性，依據(jù)韋伯定律設(shè)計(jì)出了不同重用策略選擇閾值的確定方法，得出兩類相似度閾值。在此過(guò)程中，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源的重用策略歸集為直接重用、修改重用和重新設(shè)計(jì)等三種，并揭示了閾值確定的重要性和必要性；同時(shí)，對(duì)歐氏距離公式做出了相應(yīng)改進(jìn)并將其運(yùn)用到閾值計(jì)算及相似度計(jì)算中。文中基于韋伯定律的重用閾值研究具有一定的理論和應(yīng)用價(jià)值，通過(guò)閾值的設(shè)定，能在一定程度上提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源重用的有效性和合理性以及減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息冗余。

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